Flere grupper hævder at skabe de første atomtykke siliciumplader

(PhysOrg.com) -- Siden opdagelsen i 2004, grafen - plader af kulstof på et atom tykt - har udløst en byge af forskning i nanomaterialets potentielle anvendelser til at brænde hurtigt, lille elektronik. Nu, flere forskergrupper hævder at have skabt analoge tynde plader af silicium kaldet silicen, antændte en kontrovers om, hvem der vandt kapløbet om at syntetisere dette lovende nye materiale.

Mindre betyder hurtigere i elektronik. Konventionelle elektroniske enheder baseret på silicium miniaturiseres, men de begynder at fungere dårligt, når de nærmer sig grænserne for enkeltatomskalaen. Følgelig, producenter skal finde nye løsninger til hurtigere elektronik i de kommende år. Fordi silicen og grafen i det væsentlige er todimensionelle, kan de arbejde på enkeltatomniveau.

"Det er grunden til, at silicen er så vigtigt. Det kan tage dig til den ultimative [størrelse] grænse, " sagde Lok C. Lew Yan Voon, en nanomaterialeekspert fra Wright State University i Ohio, der opfandt udtrykket "silicene" i 2007.

Ifølge Lew Yan Voon, elektroniske enheder baseret på silicen kunne pålideligt udvise den kritiske on-off funktion, der kræves for transistorer, computernes byggesten. grafen, imidlertid, har kæmpet for at opnå denne funktion, forhindrer dens praktiske brug som transistor.

"Elektronikindustrien kæmper mod kulstof, sagde Guy Le Lay, en silicenforsker fra Aix-Marseille Universitet i Frankrig. "At skifte til grafen, i princippet, ville være meget rart, men det er meget kompliceret."

Fordi elektronikproducenter har bygget en infrastruktur omkring silicium, de er fortsat tøvende med fuldt ud at omfavne grafen som grundlaget for fremtidige superhurtige processorer. Silicen, imidlertid, præsenterer et attraktivt perspektiv, ifølge dets tilhængere.

I en kommende forskningsartikel, Le Lay og hans kolleger hævder at være den første gruppe, der har klare beviser for syntetiserede silicenplader. Værket vises i Fysiske anmeldelsesbreve .

Le Lay håber, at denne forskning snart vil gå ind i transistorer.

"Målet er at have en demonstration af en enhed om to et halvt år, " sagde Le Lay.

Fordelen silicentransistorer ville have i forhold til deres grafenmodstykker stammer fra silicens unikke struktur. I silicen, nogle få siliciumatomer eksisterer over og under den todimensionelle hovedoverflade, og elektroner i disse to områder har forskellige energier. Påføring af elektriske spændinger gør det muligt for elektroner at hoppe over dette energigab og tillader silicen at skifte mellem en "on" og "off" tilstand.

Le Lays team hævder at have skabt de første ark, der baner vejen for sådanne applikationer. Men Le Lay og hans kolleger har flere konkurrenter.

Forskergrupper fra Kina og Japan afslørede for nylig lignende resultater, og et andet hold annoncerede syntesen af ​​silicen i et Applied Physics Letters-papir offentliggjort i slutningen af ​​2010. Sidstnævnte gruppe, imidlertid, havde ikke nok beviser til at fremsætte den påstand, sagde Le Lay. Le Lay tilføjede, at den japanske gruppe ikke har så mange beviser som hans gruppe.

"[Le Lay] ønsker at eje silicens faderskab, som om det er hans ting, men det er det faktisk ikke, " sagde Abdelkader Kara, en teoretisk fysiker med speciale i silicen ved University of Central Florida i Orlando og medforfatter til forskningspapiret fra 2010.

Selvom Karas gruppe hævdede at have syntetiseret silicen i 2010, de brugte kun én detektionsmetode til at bevise deres påstand:scanning af tunnelmikroskopbilleder. Enheden er afhængig af kvantemekaniske effekter for at producere billeder på atomær skala, med større detaljer end billeder fra traditionelle mikroskoper.

Sådanne billeder, imidlertid, kan bedrage. Ifølge det franske hold bag den nyere forskning, 2010-resultaterne indikerede ikke endegyldigt, at silicen blev dannet. I stedet, noget subtilt dukkede op i billederne, Det hævder Le Lays gruppe.

De fleste silicenforskere har forsøgt at dyrke silicen oven på sølv, fordi sølvatomer og siliciumatomer ikke interagerer stærkt. Mens dette tillader silicen at danne uafhængigt af sølvsubstratet, det kan være svært at skelne mellem ægte silicenplader og sølvstrukturer, sagde Le Lay.

"Der er noget tricky med sølvoverfladen. Sølvoverfladen kan efterligne honeycomb-overfladen, der ligner silicen, sagde Patrick Vogt, en silicenforsker ved Technical University of Berlin og hovedforfatter af den kommende forskning udført med Guy Le Lay. "Den ægte silicenstruktur ser anderledes ud."

Kara bestrider, at de havde tilstrækkeligt bevis for silicensyntese tilbage i 2010 baseret på, hvordan siliciumatomerne rettede sig ind i en vinkel med sølvsubstratet. Mikroskopbillederne afslørede en honningkagestruktur, som sølvoverfladen ikke kunne have dannet alene, sagde Kara.

"[Scanning tunneling mikroskop] billeder kan selvfølgelig bedrage, " sagde Kara. "Vi gjorde et meget omhyggeligt stykke arbejde med at se på silicium, og det er derfor, papiret blev accepteret [til videnskabelig udgivelse]."

Ikke desto mindre, Le Lay og Vogt var ikke tilfredse. For at sikre, at de virkelig havde skabt silicen, Vogts forskergruppe analyserede deres prøve på en række måder. De målte elektriske og kemiske egenskaber ud over at sammenligne faktiske billeder med simulerede teoretiske forudsigelser. At bevise syntesen af ​​silicen kræver konvergerende beviser fra disse forskellige kilder, sagde Le Lay.

Også, holdet fandt, at den observerede afstand mellem siliciumatomerne matchede teoretiske forudsigelser bedre end resultaterne fra 2010.

Kara er enig i, at Le Lays team tog et vigtigt skridt fremad inden for silicenforskning, men han mener, at de ikke fortjener for meget ære for silicens opdagelse.

Kara tilføjede, at æren for banebrydende eksperimentel silicenforskning skulle gå til hans kolleger, Bernard Aufray og Hamid Oughaddou, der arbejdede på papiret fra 2010.

Wright State's Lew Yan Voon, som ikke var tilknyttet hverken Karas eller Le Lays forskning, erkender, at der var nogle uoverensstemmelser mellem 2010-dokumentet og teoretiske forudsigelser. Følgelig, det er stadig uklart, hvem der syntetiserede silicen først, sagde Lew Yan Voon.

"Den positive note er, at flere og flere grupper rapporterer [syntese af silicen], " sagde Lew Yan Voon. "Der var engang, hvor folk sagde, at du ikke engang kunne skabe det."

På trods af usikkerheden om, hvem der skabte silicen først, forskere er enige om, hvad der skal gøres næste gang. For at drage fuld fordel af silicens egenskaber, fysikere er nødt til at dyrke det på et isolerende materiale, der ikke leder elektricitet som sølv. Når først silicen kan dyrkes på en isolator, det vil være meget lettere at udvikle silicentransistorer og andre enheder.

Forskere kan udvikle silicenenheder, der dramatisk øger behandlingshastigheden relativt hurtigt, men der er stadig store udfordringer ifølge Le Lay.

"Fra dette til ansøgninger er endnu et stort skridt. Det er ikke trivielt, " sagde Le Lay.